RU2426226C1 - Quantum frequency standard - Google Patents

Quantum frequency standard Download PDF

Info

Publication number
RU2426226C1
RU2426226C1 RU2010100445/28A RU2010100445A RU2426226C1 RU 2426226 C1 RU2426226 C1 RU 2426226C1 RU 2010100445/28 A RU2010100445/28 A RU 2010100445/28A RU 2010100445 A RU2010100445 A RU 2010100445A RU 2426226 C1 RU2426226 C1 RU 2426226C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
generator
optical
laser
Prior art date
Application number
RU2010100445/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Капитонович Дмитриев (RU)
Александр Капитонович Дмитриев
Михаил Геннадьевич Гуров (RU)
Михаил Геннадьевич Гуров
Сергей Михайлович Кобцев (RU)
Сергей Михайлович Кобцев
Алексей Владимирович Иваненко (RU)
Алексей Владимирович Иваненко
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования - Новосибирский государственный технический университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования - Новосибирский государственный технический университет filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования - Новосибирский государственный технический университет
Priority to RU2010100445/28A priority Critical patent/RU2426226C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2426226C1 publication Critical patent/RU2426226C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: proposed quantum frequency standard comprises laser connected to cell whereto connected are magnetic field generation unit and thermal stabilisation unit. Cell output is connected with first photo detector with its output connected to first sync detector whereto connected is output of first modulator. Second output of the latter is connected to SHF-generator control signal shaper unit whereto connected is output of first sync detector. Reference radiation source and laser are connected with second photo detector with its output connected to second sync detector whereto connected is output of second modulator. Second output of the latter is connected with just introduced HF-generator control signal shaper. HF-generator output and SHF-generator first output are connected with pump current source connected with laser electric input. Note here that SHF-generator second output is connected with HF-generator. ^ EFFECT: higher stability of output frequency. ^ 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к квантовым стандартам частоты (КСЧ), устройствам для генерирования, усиления, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, и может быть использовано как средство увеличения стабильности частоты.The present invention relates to quantum frequency standards (RNFs), devices for generating, amplifying, modulating, demodulating or frequency conversion, and can be used as a means of increasing frequency stability.

Принцип действия КСЧ основывается на стабилизации частоты кварцевого генератора по атомной линии щелочного металла. При этом номинальное значение частоты и систематическое изменение частоты с течением времени полностью определяются частотой и стабильностью атомной линии. Наблюдение резонанса соответствующего линии расщепления основного состояния осуществляется в парах атомов металлов, содержащихся в специальной ячейке (далее ячейка). Сигнал резонанса обычно наблюдается или по флюоресценции щелочных атомов в ячейке, или по пропусканию света определенной частоты через ячейку. Поле облучения ячейки создается частотно-модулированным излучением одного лазера (или при помощи излучения двух лазеров, чья разница частот модуляции соответствует резонансной линии расщепления атомов). В результате модуляции в спектре излучения лазера появляются боковые гармоники. Когда расстояние между этими первыми гармониками равно частоте сверхвысокочастотного (СВЧ) резонанса, возникает когерентная непоглощающая суперпозиция атомных состояний и пропускание ячейки растет. Этот эффект называют когерентным пленением населенностей (КПН), или лямбда-резонансом. Модулированное излучение лазера на частоте сверхтонкого резонанса атомов металла подается на ячейку, содержащую смесь паров щелочного металла и буферного газа. Например, данная модуляция лазера может быть получена при помощи модуляции управляемого сверхвысокочастотным генератором источника тока или новых типов лазеров, имеющих необходимый спектр модуляции излучения, или влиянием на лазерное излучение электрооптическими модуляторами, или другими элементами, способными изменять фазу оптического излучения. В ячейке, содержащей смесь паров щелочного металла и буферного газа, когда разница частот между боковыми полосами (ω2121) или между частотами излучений лазеров (ω2121) равна частоте СВЧ-резонанса, имеет место узкий провал поглощения модулированного излучения лазера. При воздействии модулированного лазерного излучения происходит эффективный оптический сдвиг в картине резонанса. Лазерное излучение влияет на сдвиг частоты и ширину СВЧ-резонанса. Указанный оптический (полевой) сдвиг пропорционален интенсивности светового поля и существенным образом зависит от отстройки оптической частоты лазерного излучения в оптическом резонансе. На выходе из ячейки можно наблюдать два типа сигнала: сигнал флюоресценции и непосредственно прошедшее ("на пропускание") через ячейку излучение лазера. При наблюдении КПН-резонанса отмечается уменьшение сигнала флюоресценции, в то время как КПН-резонанс "на пропускание" лазерного излучения детектируется по увеличению пропускания модулированного лазерного излучения. Этот сигнал попадает на фотодетектор и в дальнейшем наблюдается непосредственно по регистрирующим приборам, либо подвергается синхронному детектированию для того, чтобы выделить сигнал подстройки частоты СВЧ-генератора, используемого для модуляции лазера (или для поддержания разницы частот двух лазеров), для того чтобы посредством этого реализовать КСЧ.The principle of operation of the RNF is based on the stabilization of the frequency of the quartz generator along the atomic line of an alkali metal. In this case, the nominal frequency value and the systematic change in frequency over time are completely determined by the frequency and stability of the atomic line. The resonance of the corresponding splitting line of the ground state is observed in pairs of metal atoms contained in a special cell (hereinafter referred to as the cell). The resonance signal is usually observed either by the fluorescence of alkali atoms in the cell, or by the transmission of light of a certain frequency through the cell. The cell irradiation field is created by the frequency-modulated radiation of one laser (or by means of radiation from two lasers, whose difference in modulation frequencies corresponds to the resonance line of atomic splitting). As a result of modulation, side harmonics appear in the laser emission spectrum. When the distance between these first harmonics is equal to the frequency of the microwave frequency (microwave) resonance, a coherent nonabsorbing superposition of atomic states occurs and the transmission of the cell increases. This effect is called coherent population trapping (CPT), or lambda resonance. Modulated laser radiation at a frequency of ultrafine resonance of metal atoms is fed to a cell containing a mixture of alkali metal vapor and a buffer gas. For example, this laser modulation can be obtained by modulating a current source controlled by a microwave generator or new types of lasers having the necessary spectrum of radiation modulation, or by influencing laser radiation with electro-optical modulators, or other elements capable of changing the phase of optical radiation. In a cell containing a mixture of alkali metal vapor and a buffer gas, when the frequency difference between the side bands (ω 21 = ω 21 ) or between the laser radiation frequencies (ω 21 = ω 21 ) is equal to the microwave resonance frequency, has place a narrow dip in the absorption of modulated laser radiation. Under the influence of modulated laser radiation, an effective optical shift occurs in the resonance pattern. Laser radiation affects the frequency shift and the width of the microwave resonance. The indicated optical (field) shift is proportional to the intensity of the light field and substantially depends on the detuning of the optical frequency of the laser radiation in optical resonance. At the exit from the cell, two types of signal can be observed: the fluorescence signal and the laser radiation directly transmitted (“to transmit”) through the cell. When observing a CPT resonance, a decrease in the fluorescence signal is noted, while a CPT resonance "for transmitting" laser radiation is detected by increasing the transmittance of the modulated laser radiation. This signal hits the photodetector and is subsequently observed directly by recording instruments, or is subjected to synchronous detection in order to isolate the frequency adjustment signal of the microwave generator used to modulate the laser (or to maintain the frequency difference between the two lasers), in order to realize KSCh.

Известен КСЧ (Patent No: US 6,265,945, Date of Patent: Jul. 24, 2001), содержащий лазер, оптический выход которого соединен через четвертьволновую пластинку с оптическим входом ячейки. С ячейкой также соединены блоки создания магнитного поля в ячейке и термостабилизации данной ячейки. Оптический выход лазера также соединен с оптическим входом первого, контролирующего интенсивность излучения лазера фотодетектора. Электрический выход этого фотодетектора соединен со входом первого блока аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера. Первый оптический выход ячейки соединен с оптическим входом фотодетектора для регистрации интенсивности модулированного сигнала из ячейки. Электрический выход данного фотодетектора соединен со вторым блоком аналого-цифрового преобразования микроконтроллера. Второй оптический выход ячейки соединен с оптическим входом третьего фотодетектора, контролирующего интенсивность флюоресценции. Электрический выход данного фотодетектора соединен с третьим блоком аналого-цифрового преобразования микроконтроллера. Микроконтроллер обеспечивает цифровую обработку сигналов схемы и выработку сигналов управления, посредством трех цифроаналоговых преобразователей, для подсоединенных к его выходам трех блоков схемы, и управление блоком температурной стабилизации лазера. Два выхода соединены со входами СВЧ-генератора и предназначены для управления частотой и индексом модуляции выходного сигнала СВЧ-генератора. Третий цифроаналоговый выход микроконтроллера соединен с первым входом блока источника питания лазера для управления оптической частотой лазера, посредством обработки микроконтроллером сигнала с фотодетектора, контролирующего интенсивность флюоресценции. Выход СВЧ-генератора соединен со вторым входом блока источника питания лазера. Выход источника питания лазера соединен с электрическим входом лазера.Known KSCh (Patent No: US 6,265,945, Date of Patent: Jul. 24, 2001), containing a laser, the optical output of which is connected through a quarter-wave plate to the optical input of the cell. Blocks for creating a magnetic field in the cell and thermal stabilization of the cell are also connected to the cell. The optical output of the laser is also connected to the optical input of the first photodetector laser controlling the radiation intensity. The electrical output of this photodetector is connected to the input of the first block of the analog-to-digital converter of the microcontroller. The first optical output of the cell is connected to the optical input of the photodetector to record the intensity of the modulated signal from the cell. The electrical output of this photodetector is connected to the second block of analog-to-digital conversion of the microcontroller. The second optical output of the cell is connected to the optical input of the third photodetector, which controls the fluorescence intensity. The electrical output of this photodetector is connected to the third block of analog-to-digital conversion of the microcontroller. The microcontroller provides digital signal processing of the circuit and the generation of control signals, through three digital-to-analog converters, for the three circuit blocks connected to its outputs, and control of the laser temperature stabilization unit. Two outputs are connected to the inputs of the microwave generator and are designed to control the frequency and modulation index of the output signal of the microwave generator. The third digital-analog output of the microcontroller is connected to the first input of the laser power supply unit to control the optical frequency of the laser, by processing the signal from the photodetector by the microcontroller, which controls the fluorescence intensity. The output of the microwave generator is connected to the second input of the laser power supply unit. The output of the laser power supply is connected to the electrical input of the laser.

Однако в указанном КСЧ используется детектирование полезного сигнала по сигналу флюоресценции и, следовательно, подстройка оптической частоты лазера в оптический резонанс по однородному спектральному контуру группы атомов в ячейке, а также отсутствуют меры по устранению полевого сдвига, что влечет за собой относительно большую погрешность настройки оптического сигнала, как следствие, меньшую точность настройки в резонанс оптического перехода квантового стандарта частоты, меньшую стабильность частоты на выходе КСЧ.However, the indicated RNF uses the detection of the useful signal from the fluorescence signal and, therefore, the adjustment of the optical frequency of the laser into optical resonance along the homogeneous spectral profile of a group of atoms in the cell, and there are no measures to eliminate the field shift, which entails a relatively large error in tuning the optical signal as a consequence, lower tuning accuracy in resonance of the optical transition of the quantum frequency standard, lower frequency stability at the output of the RNG.

Кроме того, известно КСЧ (Patent No: US 6,320,472 B1, Date of Patent: Nov.20, 2001), являющееся прототипом предлагаемого изобретения и содержащее лазер, оптический выход которого соединен через четвертьволновую пластинку с оптическим входом ячейки, содержащей смесь паров щелочного металла и буферного газа. С ячейкой также соединены блоки создания магнитного поля в ячейке и термостабилизации данной ячейки. Первый оптический выход ячейки соединен с оптическим входом первого фотодетектора для регистрации интенсивности модулированного сигнала из ячейки. Электрический выход данного фотодетектора соединен со входом первого синхронного детектора. Второй вход первого синхронного детектора соединен с выходом первого модулятора. Выход первого синхронного детектора соединен с блоком формирования управляющего сигнала СВЧ-генератором. Также со входом блока формирователя соединен выход первого модулятора. Выход блока формирования управляющего сигнала СВЧ-генератора соединен со входом СВЧ-генератора. Выход СВЧ-генератора соединен с первым управляющим входом источника питания лазера. Второй оптический выход ячейки соединен с оптическим входом второго фотодетектора для регистрации интенсивности модулированного сигнала флюоресценции из ячейки. Электрический выход данного фотодетектора соединен со входом второго синхронного детектора. Второй синхронный детектор вырабатывает сигнал, пропорциональный сигналу поправки оптической частоты к линии оптического резонанса в схеме КПН в пределах однородного контура резонансной линии. Второй вход второго синхронного детектора соединен с выходом второго модулятора. Также с выходом второго модулятора соединен блок формирования управляющего сигнала оптической частотой лазера для источника питания лазера. Выход этого блока соединен со вторым управляющим входом источника питания лазера. Выход источника питания лазера, который обеспечивает модуляцию излучения лазера, а также управление его оптической частотой, соединен с электрическим входом лазера.In addition, KSCh is known (Patent No: US 6,320,472 B1, Date of Patent: Nov.20, 2001), which is a prototype of the present invention and contains a laser whose optical output is connected through a quarter-wave plate to the optical input of the cell containing a mixture of alkali metal vapor and buffer gas. Blocks for creating a magnetic field in the cell and thermal stabilization of the cell are also connected to the cell. The first optical output of the cell is connected to the optical input of the first photodetector to record the intensity of the modulated signal from the cell. The electrical output of this photodetector is connected to the input of the first synchronous detector. The second input of the first synchronous detector is connected to the output of the first modulator. The output of the first synchronous detector is connected to a control signal generating unit by a microwave generator. Also, the output of the first modulator is connected to the input of the shaper block. The output of the control signal generating unit of the microwave generator is connected to the input of the microwave generator. The output of the microwave generator is connected to the first control input of the laser power source. The second optical output of the cell is connected to the optical input of the second photodetector to record the intensity of the modulated fluorescence signal from the cell. The electrical output of this photodetector is connected to the input of the second synchronous detector. The second synchronous detector generates a signal proportional to the signal of the correction of the optical frequency to the optical resonance line in the CPT circuit within the uniform contour of the resonance line. The second input of the second synchronous detector is connected to the output of the second modulator. Also, with the output of the second modulator, a control signal generating unit for the laser optical frequency for the laser power source is connected. The output of this unit is connected to the second control input of the laser power source. The output of the laser power source, which provides modulation of the laser radiation, as well as control of its optical frequency, is connected to the electrical input of the laser.

Однако в указанном устройстве используется стабилизация оптической частоты лазера, соответствующая частоте перехода с возбужденного уровня P на основной уровень S щелочного металла, модулированием на низкой частоте постоянной составляющей тока накачки i0 лазера, соответствующей центру пика флюоресценции. В нем используется модуляция сигнала управления, обеспечиваемая вторым модулятором с частотой 7 Гц. Если составляющая тока источника накачки точно не соответствует i0, то сигнал флюоресценции, преобразованный вторым фотодетектором, на выходе будет промодулирован прямоугольными импульсами. Если составляющая тока источника накачки точно соответствует i0, то сигнал флюоресценции, преобразованный вторым фотодетектором, на выходе будет постоянный сигнал. Прямое обнаружение посредством синхронного детектора и формирователя сигнала управления источника тока обеспечивает сигнал, пропорциональный сигналу отстройки составляющей тока накачки от i0, и этот сигнал может использоваться для стабилизации оптической частоты лазера к максимуму флюоресценции. В данной цепи обратной связи составляющая тока накачки лазера никогда не стабилизирована к i0, и, соответственно, сигнал не находится в центре контура флюоресценции. Величина модуляции, однако, не сильно меняется для получения не слишком сильных отстроек оптической частоты лазера по сравнению с шириной оптического резонанса. То есть используется подстройка оптической частоты лазера по однородному спектральному контуру группы атомов в ячейке, что влечет за собой относительно большую погрешность настройки оптического сигнала, отсутствие компенсации или уменьшения полевого сдвига, и, как следствие, меньшую точность настройки в резонанс оптического перехода квантового стандарта частоты, а значит меньшую стабильность частоты на выходе КСЧ.However, this device uses stabilization of the laser optical frequency corresponding to the frequency of the transition from the excited level P to the basic level S of the alkali metal by modulating at a low frequency the constant component of the pump current i 0 of the laser corresponding to the center of the fluorescence peak. It uses the modulation of the control signal provided by the second modulator with a frequency of 7 Hz. If the current component of the pump source does not exactly match i 0 , then the fluorescence signal converted by the second photodetector will be modulated at the output by rectangular pulses. If the current component of the pump source exactly matches i 0 , then the fluorescence signal converted by the second photodetector will output a constant signal. Direct detection by means of a synchronous detector and driver of the current source control signal provides a signal proportional to the detuning signal of the component of the pump current from i 0 , and this signal can be used to stabilize the laser optical frequency to maximum fluorescence. In this feedback circuit, the component of the laser pump current is never stabilized to i 0 , and, accordingly, the signal is not in the center of the fluorescence circuit. The modulation value, however, does not change much to obtain not too strong detunings of the optical frequency of the laser compared to the width of the optical resonance. That is, tuning of the optical frequency of the laser is used along the homogeneous spectral contour of a group of atoms in the cell, which entails a relatively large error in tuning the optical signal, the absence of compensation or reduction of the field shift, and, as a result, lower accuracy in tuning the resonance of the optical transition of the quantum frequency standard which means lower frequency stability at the output of the RNG.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение стабильности частоты на выходе КСЧ.The task of the invention is to increase the frequency stability at the output of the RNG.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве квантового стандарта частоты, содержащем лазер, оптический выход которого соединен с оптическим входом ячейки, с ячейкой также соединены блоки создания магнитного поля в ячейке и термостабилизации ячейки, где первый оптический выход ячейки соединен с оптическим входом первого фотодетектора и электрический выход первого фотодетектора соединен со входом первого синхронного детектора, со вторым входом которого соединен выход первого модулятора, выход которого соединен со входом блока формирователя сигнала управления СВЧ-генератором, с которым соединен выход первого синхронного детектора, выход формирователя сигнала управления соединен со входом управляемого СВЧ-генератора, электрический выход второго фотодетектора соединен со входом второго синхронного детектора, со вторым входом которого соединен выход второго модулятора, выход которого соединен со входом формирователя сигнала управления оптической частотой лазера, выходы СВЧ-генератора и формирователя сигнала управления источника тока соединены со входами управляемого источника тока, выход которого соединен с электрическим входом лазера, согласно изобретению в него введены источник опорного излучения, второй фотодетектор, второй синхронный детектор, второй модулятор, формирователь сигнала управления ВЧ-генератором, управляемый ВЧ-генератор и управляемый СВЧ-генератор, при том оптический выход источника опорного излучения и выход лазера прототипа соединены с оптическим входом второго введенного фотодетектора, электрический выход которого соединен со входом второго введенного синхронного детектора, со вторым входом которого соединен выход введенного второго модулятора, второй выход этого введенного второго модулятора соединен с первым входом второго введенного формирователя сигнала управления ВЧ-генератором, со вторым входом которого соединен выход введенного второго синхронного детектора, введенный формирователь сигнала управления ВЧ-генератором соединен с первым входом введенного ВЧ-генератора, выход введенного ВЧ-генератора соединен со вторым входом управляемого источника тока, с выходом блока формирователя сигнала управления СВЧ-генератором соединен вход введенного СВЧ-генератора, с первым выходом введенного СВЧ-генератора соединен первый вход управляемого источника тока, второй выход введенного СВЧ-генератора соединен с введенным ВЧ-генератором.This object is achieved by the fact that in the known device of the quantum standard of frequency, containing a laser, the optical output of which is connected to the optical input of the cell, the cells also create blocks for creating a magnetic field in the cell and thermal stabilization of the cell, where the first optical output of the cell is connected to the optical input of the first photodetector and the electrical output of the first photodetector is connected to the input of the first synchronous detector, with the second input of which the output of the first modulator is connected, the output of which is connected to the path of the driver block of the control signal of the microwave generator, to which the output of the first synchronous detector is connected, the output of the driver of the signal of control is connected to the input of the controlled microwave generator, the electrical output of the second photodetector is connected to the input of the second synchronous detector, the output of the second modulator is connected to its second input, the output which is connected to the input of the driver of the control signal of the optical frequency of the laser, the outputs of the microwave generator and driver of the control signal of the current source is connected with the inputs of a controlled current source, the output of which is connected to the electrical input of the laser, according to the invention, a reference radiation source, a second photodetector, a second synchronous detector, a second modulator, an RF generator control signal driver, a controlled RF generator and a controlled microwave generator are introduced into it, the optical output of the reference radiation source and the laser output of the prototype are connected to the optical input of the second input photodetector, the electrical output of which is connected to the input of the second second synchronous detector, the second input of which is connected to the input of the introduced second modulator, the second output of this introduced second modulator is connected to the first input of the second input driver of the RF control signal generator, the second input of which is connected to the output of the second synchronous detector, the input of the RF the generator is connected to the first input of the input RF generator, the output of the input RF generator is connected to the second input of a controlled current source, with the output of the unit ormirovatelya connected input inputted microwave generator of the microwave generator control signal inputted to the first output of the microwave generator is connected to a first input of controllable current source, a second output inputted microwave generator is coupled with the entered high-frequency generator.

На ФИГ.1 приведена блок-схема предлагаемого КСЧ,Figure 1 shows the block diagram of the proposed KSCh,

на ФИГ.2 приведена диаграмма рабочих уровней щелочного металла КСЧ,figure 2 shows a diagram of the working levels of the alkaline metal KSCh,

на ФИГ.3 приведена зависимость относительного оптического сдвига от соотношения смещения гармоники оптического спектра излучения лазера к межмодовому расстоянию этого спектра.figure 3 shows the dependence of the relative optical shift on the ratio of the harmonic displacement of the optical spectrum of the laser radiation to the intermode distance of this spectrum.

КСЧ (ФИГ.1) содержит: 1 - лазер, 2 - управляемый источник тока накачки лазера 1, 3 - источник опорного излучения, 4 - ячейка с парами щелочных металлов и буферным газом, 5 - фотодетектор, 6 - фотодетектор, 7 - синхронный детектор, 8 - модулятор, 9 - управляемый ВЧ-генератор, 10 - синхронный детектор, 11 - модулятор, 12 - управляемый СВЧ-генератор, 13 - формирователь сигнала управления СВЧ-генератором 12, 14 - формирователь сигнала управления ВЧ-генератором 9, 15 - блок создания магнитного поля в ячейке 4, 16 - система температурного контроля лазера, 17 - система температурного контроля ячейки 4.KSCh (FIG. 1) contains: 1 - laser, 2 - controlled source of laser pump current 1, 3 - reference radiation source, 4 - cell with alkali metal vapors and buffer gas, 5 - photodetector, 6 - photodetector, 7 - synchronous detector 8 - modulator, 9 - controlled RF generator, 10 - synchronous detector, 11 - modulator, 12 - controlled microwave generator, 13 - control signal generator of the microwave generator 12, 14 - control signal generator of the RF generator 9, 15 - magnetic field generating unit in cell 4, 16 — laser temperature control system, 17 — temperature system 4 th cell control.

При этом оптический выход лазера 1 соединен с оптическим входом ячейки 4, с ячейкой 4 также соединены блок создания магнитного поля 15 в ячейке 4 и система температурного контроля 17, оптический выход ячейки 4 соединен с оптическим входом фотодетектора 6 и электрический выход фотодетектора 6 соединен со входом синхронного детектора 10, со вторым входом которого соединен выход модулятора 11, второй выход которого соединен со входом блока формирователя сигнала управления 13 СВЧ-генератором 12, со вторым входом формирователя сигнала управления 13 соединен выход синхронного детектора 10, выход формирователя сигнала управления 13 соединен со входом управляемого СВЧ-генератора 12. Часть оптического излучения лазера 1 смешивается на оптическом входе фотодетектора 5 с оптическим излучением опорного источника 3. Электрический выход фотодетектора 5 соединен со входом синхронного детектора 7, со вторым входом которого соединен выход модулятора 8, второй выход которого соединен со входом формирователя сигнала управления 14 ВЧ-генератором 9, выход блока 14 соединен со входом управляемого ВЧ-генератора 9, выходы СВЧ-генератора 12 и блока 9 соединены со входами управляемого источника тока накачки 2, выход которого соединен с электрическим входом лазера 1.In this case, the optical output of the laser 1 is connected to the optical input of the cell 4, the magnetic field generating unit 15 in the cell 4 and the temperature control system 17 are also connected to the cell 4, the optical output of the cell 4 is connected to the optical input of the photodetector 6, and the electrical output of the photodetector 6 is connected to the input a synchronous detector 10, the second input of which is connected to the output of the modulator 11, the second output of which is connected to the input of the driver unit 13 of the control signal microwave generator 12, with the second input of the driver 13 control signal the output of the synchronous detector 10 is Din, the output of the driver of the control signal 13 is connected to the input of the controlled microwave generator 12. A part of the optical radiation of the laser 1 is mixed at the optical input of the photodetector 5 with the optical radiation of the reference source 3. The electrical output of the photodetector 5 is connected to the input of the synchronous detector 7, with the second input of which the output of the modulator 8 is connected, the second output of which is connected to the input of the driver of the control signal 14 by the RF generator 9, the output of block 14 is connected to the input of the controlled RF generator torus 9, the outputs of the microwave generator 12 and block 9 are connected to the inputs of a controlled pump current source 2, the output of which is connected to the electrical input of the laser 1.

Блок лазера 1 может быть выполнен в виде инжекционного полупроводникового лазера ИЛПИ-102 с термохолодильником Пельтье, блок 2 может представлять собой аналого- или цифроуправляемый электронный источник питания лазера 1, в качестве источника опорного излучения 3 могут использоваться существующие КСЧ с полевыми сдвигами или стабильные лазерные излучатели с частотой оптического излучения, равной частоте оптического КПН-резонанса, ячейка 4 может представлять собой герметично закрытую кварцевую полость с характерными размерами 1×1 см с подмагничивающим соленоидом со смесью паров щелочного металла, например, 87Rb, и буферного газа, например, N2, блоки 5 и 6 могут представлять собой высокочастотные фотодетекторы с чувствительностью, лежащей в диапазоне оптических частот лазера, блоки 7 и 10 могут представлять собой синхронные детекторы, выполненные на дискретных элементах или, например, на основе микросхемы К561КП1 и буферных усилителей К544УД2 и фильтров на их основе, блоки 8 и 11 могут представлять собой электрические кварцевые генераторы заданной частоты модуляции, блоки 13 и 14 могут быть выполнены каждый в виде повторителя на основе микросхемы К561КП1 и буферных усилителей К544УД2 или перемножителя К174ХА10 и дополнительных дискретных элементов, блок 12 может быть выполнен на генераторе, управляемом напряжением (ГУН) HMC836LP6CE, блок 9 может быть выполнен, например, на дискретных элементах в виде генератора управляемого напряжения, блок 15, например, может представлять собой источник тока с цепью обратной связи на основе датчика Холла SS495A, блоки 16 и 17 могут представлять собой источники постоянного тока, собранные на доступных дискретных элементах с цепью обратной связи на основе датчика температуры LM335M/NOPB.The laser unit 1 can be made in the form of an ILPI-102 injection semiconductor laser with a Peltier thermo-refrigerator, unit 2 can be an analog- or digital-controlled electronic power source of the laser 1, existing KSCh with field shifts or stable laser emitters can be used as a reference radiation source 3 with a frequency of optical radiation equal to the frequency of the optical CPT resonance, cell 4 can be a hermetically sealed quartz cavity with characteristic dimensions of 1 × 1 cm gnichivayuschim solenoid with a mixture of an alkali metal vapor, such as 87 Rb, and a buffer gas, e.g., N 2, blocks 5 and 6 can be a high frequency photodetectors sensitivity lying in the range of optical laser frequencies, the blocks 7 and 10 may be a synchronous detector made on discrete elements or, for example, based on a K561KP1 chip and K544UD2 buffer amplifiers and filters based on them, blocks 8 and 11 can be electric quartz oscillators of a given modulation frequency, blocks 13 and 14 can each should be made in the form of a repeater based on the K561KP1 chip and K544UD2 buffer amplifiers or the K174XA10 multiplier and additional discrete elements, block 12 can be performed on a HMC836LP6CE voltage-controlled oscillator (VCO), block 9 can be performed, for example, on discrete elements in the form a controlled voltage generator, block 15, for example, can be a current source with a feedback circuit based on a Hall sensor SS495A, blocks 16 and 17 can be DC sources assembled on accessible disks retnyh elements with feedback chain based LM335M / NOPB temperature sensor.

Устройство работает следующим образом. На Фиг.1 КСЧ на основе КПН-резонанса используется лазер 1 со спектром оптического излучения в виде гребенки эквидистантных частот с центральной частотой f0 и межмодовым расстоянием frep, определяемым частотой повторения импульсов лазера. Ширина линии оптического резонанса Г определяется параметрами и типом лазера. Для достижения обнаружения сдвига частоты необходимо ввести модуляцию положения мод оптического спектра, которая может быть реализована двумя способами:The device operates as follows. In Fig.1 KSCh based on the CPT resonance, a laser 1 is used with an optical emission spectrum in the form of a comb of equidistant frequencies with a center frequency f 0 and an intermode distance f rep determined by the laser pulse repetition rate. The line width of the optical resonance G is determined by the parameters and type of laser. To achieve frequency shift detection, it is necessary to introduce modulation of the position of the optical spectrum modes, which can be implemented in two ways:

1. За счет модуляции положения несущей частоты оптического спектра без изменения расстояния между составляющими спектра. Например, центральная частота оптического спектра модулируется частотой F, при этом расстояние между модами спектра должно удовлетворять F<<frep≈Г (порядка ширины Г).1. By modulating the position of the carrier frequency of the optical spectrum without changing the distance between the components of the spectrum. For example, the central frequency of the optical spectrum is modulated by the frequency F, while the distance between the modes of the spectrum must satisfy F << f rep ≈ Г (on the order of the width Г).

2. За счет модуляции расстояния между равноотстоящими составляющими оптического спектра. Например, центральная частота f0 оптического спектра не смещается, а расстояние между модами спектра колеблется в диапазоне frep≈Г.2. Due to the modulation of the distance between equally spaced components of the optical spectrum. For example, the center frequency f 0 of the optical spectrum does not shift, and the distance between the modes of the spectrum fluctuates in the range f rep ≈ Г.

В результате облучения ячейки 4 излучением лазера 1 со спектром оптического излучения в виде гребенки эквидистантных частот (с частотой повторения frep) картина КПН-резонанса приобретает вид, показанный на Фиг.2. Здесь ω21 - частота резонанса сверхтонкой линии расщепления щелочного атома, которая получается умножением внутренней рабочей частоты КСЧ f21 в некоторое число раз n. Поскольку лазерное излучение влияет на сдвиг частоты СВЧ-резонанса, появляется некоторое смещение в СВЧ-резонансе КПН, по которому ведется подстройка частоты КСЧ. В данном устройстве результирующий полевой сдвиг - сумма сдвигов различных пар мод, образующихся в результате создания определенного набора оптических частот, дающих эффективный вклад в КПН-резонанс. Их число можно оценить отношением

Figure 00000001
, где Г - ширина линии оптического резонанса, frep - расстояние между модами оптического спектра частоты лазера. Так как величины оптических сдвигов Δn имеют различные знаки, усреднение по всему эффективному спектру мод, определяемое как
Figure 00000002
, приведет к уменьшению светового сдвига. Для однородного спектра излучения лазера, перекрывающего обе электронные линии поглощения, можно записать
Figure 00000003
, где kn-kn-q - разница параметров насыщения симметричных мод оптического спектра частоты лазера, δΩ - смещение оптического спектра лазера относительно центра оптического резонанса. Величина Δ зависит как от frep, так и от f0. Поскольку
Figure 00000004
и
Figure 00000005
получаем, что
Figure 00000006
. Зависимость нормированной зависимости полевого сдвига от смещения оптического спектра лазера δΩ к межмодовому расстоянию frep,
Figure 00000007
, приведена на Фиг.3. Из данной зависимости видно, что при модуляции оптического спектра и дальнейшем синхронном детектировании и управлении необходимо ориентироваться на нулевые значения данной зависимости, что принципиально достигается при целочисленной пропорциональности частоты КСЧ f21 частоте frep.As a result of irradiation of cell 4 with laser 1 with an optical spectrum in the form of a comb of equidistant frequencies (with a repetition frequency f rep ), the CPT resonance pattern takes the form shown in FIG. 2. Here, ω 21 is the resonance frequency of the ultrathin alkali atom splitting line, which is obtained by multiplying the internal operating frequency of the RNF f 21 by a certain number of times n. Since laser radiation affects the frequency shift of the microwave resonance, a certain shift appears in the microwave resonance of the CPT, which adjusts the frequency of the RNF. In this device, the resulting field shift is the sum of the shifts of various pairs of modes resulting from the creation of a certain set of optical frequencies that make an effective contribution to the CPT resonance. Their number can be estimated by the ratio
Figure 00000001
where Г is the optical resonance line width, f rep is the distance between the modes of the optical spectrum of the laser frequency. Since the optical shift values Δ n have different signs, averaging over the entire effective spectrum of modes, defined as
Figure 00000002
, will reduce the light shift. For a uniform laser emission spectrum that overlaps both electronic absorption lines, we can write
Figure 00000003
, where k n -k nq is the difference in the saturation parameters of the symmetric modes of the optical spectrum of the laser frequency, δΩ is the shift of the optical spectrum of the laser relative to the center of the optical resonance. The value of Δ depends on both f rep and f 0 . Insofar as
Figure 00000004
and
Figure 00000005
we get that
Figure 00000006
. The dependence of the normalized dependence of the field shift on the shift of the optical spectrum of the laser δΩ to the intermode distance f rep ,
Figure 00000007
shown in Fig.3. It can be seen from this dependence that, upon modulation of the optical spectrum and further synchronous detection and control, it is necessary to be guided by the zero values of this dependence, which is fundamentally achieved with an integer proportionality of the RNF frequency f 21 to the frequency f rep .

При расстройке частоты СВЧ-генератора 12 от значений частоты СВЧ-резонанса паров щелочного металла, а следовательно, и частоты тока источника накачки 2 на выходе ячейки 4, присутствует модулированный оптический сигнал флюоресценции или пропускания. Сигнал преобразуется фотодетектором 6 в электрический сигнал. Получаемый сигнал при помощи модулятора 11 с выхода синхронного детектора 10 через формирователь сигнала управления 13 используется как сигнал подстройки для стабилизации СВЧ-генератора 12 к сверхтонкой резонансной линии расщепления. Далее сигнал от СВЧ-генератора 12 подается на управляемый источник тока накачки 2 лазера 1 и также сигнал с частотой f21 со второго выхода СВЧ-генератора 12 подается на управляемый ВЧ-генератор 9. Оптическое излучение лазера 1, в отличие от схемы прототипа, разделяется полупрозрачным зеркалом на две части. Одна из которых подается на ячейку с парами щелочного металла 4 и далее по замкнутому циклу обратной связи с СВЧ-генератором 12. А вторая часть оптического излучения лазера 1, в отличие от схемы прототипа, смешивается на фотодетекторе 5 с оптическим излучением опорного источника 3. В результате на выходе фотодетектора 5 выделяется модулированная компонента, которая содержит в себе информацию об отстройке δΩ моды оптического спектра лазера 1 относительно центра оптического резонанса источника опорного излучения 3, которая много меньше однородного спектрального контура КПН-резонанса, а также меньше, чем Г, в отличие от прототипа, в котором используется измерение смещения от центра оптического резонанса по сигналу флюоресценции на выходе из ячейки, который по ширине сравним с однородным спектральным контуром группы атомов. Сигнал смещения устройства, несущий информацию о δΩ, выделяется при помощи синхронного детектора 7 и модулятора 8. После синхронного детектора 7 сигнал, пропорциональный отстройке частоты δΩ, поступает на формирователь сигнала управления 14 ВЧ-генератором 9, который подстраивает значение сигнала формирования положения оптического спектра лазера 1 так, чтобы мода гребенки эквидистантных частот совпадала с точным оптическим резонансом, то есть суммарный полевой сдвиг Δ уменьшился, и далее формирователем сигнала управления 14 ВЧ-генератором 9 в сигнал вносится модулированная компонента при помощи модулятора 8 и подается на вход управляемого ВЧ-генератора 9, который обеспечивает на выходе необходимый для формирования положения оптического спектра сигнал для управляемого источника тока накачки 2 лазера 1.When the frequency of the microwave generator 12 is detuned from the values of the frequency of the microwave resonance of the alkali metal vapor, and hence the frequency of the current of the pump source 2 at the output of the cell 4, a modulated optical fluorescence or transmission signal is present. The signal is converted by the photodetector 6 into an electrical signal. The resulting signal using a modulator 11 from the output of the synchronous detector 10 through the control signal shaper 13 is used as a tuning signal to stabilize the microwave generator 12 to the ultrathin resonant splitting line. Next, the signal from the microwave generator 12 is fed to a controlled source of pump current 2 of the laser 1 and also a signal with a frequency f 21 from the second output of the microwave generator 12 is fed to a controlled RF generator 9. The optical radiation of the laser 1, in contrast to the prototype circuit, is divided translucent mirror in two. One of which is fed to the cell with alkali metal vapors 4 and then in a closed feedback loop with the microwave generator 12. And the second part of the optical radiation of the laser 1, unlike the prototype circuit, is mixed on the photodetector 5 with the optical radiation of the reference source 3. B As a result, at the output of the photodetector 5, a modulated component is selected that contains information on the detuning δΩ of the optical spectrum of the laser 1 relative to the center of the optical resonance of the reference radiation source 3, which is much smaller than of the spectral contour of the CPR resonance, and also less than G, in contrast to the prototype, which uses the measurement of the displacement from the center of the optical resonance by the fluorescence signal at the cell exit, which is comparable in width to the homogeneous spectral contour of a group of atoms. The bias signal of the device, which carries information about δΩ, is extracted using a synchronous detector 7 and a modulator 8. After the synchronous detector 7, a signal proportional to the frequency offset δΩ is fed to the driver of the control signal 14 by the RF generator 9, which adjusts the value of the signal for generating the position of the laser optical spectrum 1 so that the comb mode of equidistant frequencies coincides with the exact optical resonance, that is, the total field shift Δ decreases, and then the shaper control signal 14 RF generator 9, a modulated component is introduced into the signal using a modulator 8 and fed to the input of a controlled high-frequency generator 9, which provides the output signal necessary for forming the position of the optical spectrum for a controlled pump current source 2 of laser 1.

Таким образом, посредством создания в оптическом спектре излучения лазера дополнительной модуляции оптической частоты, обеспечивается на порядок большее сужение контура настройки оптического резонанса КСЧ по сравнению с настройкой по однородному контуру Г группы атомов в ячейке, используемой в прототипе, также наблюдается взаимокомпенсация полевых сдвигов резонансов с противоположными знаками, что влечет за собой уменьшение суммарного полевого сдвига, увеличение точности настройки КСЧ в оптический резонанс, и, тем самым, увеличение стабильности частоты на выходе КСЧ.Thus, by creating an additional modulation of the optical frequency in the optical spectrum of the laser radiation, the contour of the tuning of the optical resonance of the RNF is narrowed by an order of magnitude more than the tuning of the group of atoms in the cell used in the prototype along the homogeneous contour Г of the resonance signs, which entails a decrease in the total field shift, an increase in the tuning accuracy of the RNF in optical resonance, and, thereby, an increase frequency stability at the output of KSCh.

Claims (1)

Квантовый стандарт частоты, содержащий лазер, оптический выход которого соединен с оптическим входом ячейки, с ячейкой также соединены блоки создания магнитного поля в ячейке и термостабилизации ячейки, где первый оптический выход ячейки соединен с оптическим входом первого фотодетектора и электрический выход первого фотодетектора соединен со входом первого синхронного детектора, со вторым входом которого соединен выход первого модулятора, выход которого соединен со входом блока формирователя сигнала управления СВЧ-генератором, с которым соединен выход первого синхронного детектора, выход формирователя сигнала управления соединен со входом управляемого СВЧ-генератора, электрический выход второго фотодетектора соединен со входом второго синхронного детектора, со вторым входом которого соединен выход второго модулятора, выход которого соединен со входом формирователя сигнала управления оптической частотой лазера, выходы СВЧ-генератора и формирователя сигнала управления источника тока накачки лазера соединены со входами управляемого источника тока накачки, выход которого соединен с электрическим входом лазера, отличающийся тем, что в него введены источник опорного излучения, второй фотодетектор, второй синхронный детектор, второй модулятор, формирователь сигнала управления ВЧ-генератором, управляемый ВЧ-генератор и управляемый СВЧ-генератор, при этом оптический выход источника опорного излучения и выход лазера соединены с оптическим входом второго введенного фотодетектора, электрический выход которого соединен со входом второго введенного синхронного детектора, со вторым входом которого соединен выход введенного второго модулятора, второй выход этого введенного второго модулятора соединен с первым входом второго введенного формирователя сигнала управления ВЧ-генератором, со вторым входом которого соединен выход введенного второго синхронного детектора, введенный формирователь сигнала управления ВЧ-генератором соединен с первым входом введенного ВЧ-генератора, выход введенного ВЧ-генератора соединен со вторым входом управляемого источника тока, с выходом блока формирователя сигнала управления СВЧ-генератором соединен вход введенного СВЧ-генератора, с первым выходом введенного СВЧ-генератора соединен первый вход управляемого источника тока, второй выход введенного СВЧ-генератора соединен с введенным ВЧ-генератором. A quantum frequency standard containing a laser, the optical output of which is connected to the optical input of the cell, the units for creating a magnetic field in the cell and thermal stabilization of the cell are also connected to the cell, where the first optical output of the cell is connected to the optical input of the first photodetector and the electrical output of the first photodetector is connected to the input of the first a synchronous detector, with the second input of which the output of the first modulator is connected, the output of which is connected to the input of the driver block of the control signal of the microwave generator, with the output of the first synchronous detector is connected, the output of the driver of the control signal is connected to the input of the controlled microwave generator, the electrical output of the second photodetector is connected to the input of the second synchronous detector, the second input of which is connected to the output of the second modulator, the output of which is connected to the input of the driver of the signal for controlling the optical frequency of the laser , the outputs of the microwave generator and driver of the control signal of the laser pump current source are connected to the inputs of the controlled pump current source, you the course of which is connected to the electrical input of the laser, characterized in that a reference radiation source, a second photodetector, a second synchronous detector, a second modulator, a driver of the RF generator control signal, a controlled RF generator and a controlled microwave generator are introduced into it, while the optical output the reference radiation source and the laser output are connected to the optical input of the second input photodetector, the electrical output of which is connected to the input of the second input synchronous detector, with the second input of which the output of the introduced second modulator is connected, the second output of this introduced second modulator is connected to the first input of the second input shaper of the control signal of the RF generator, the second input of which is connected to the output of the input of the second synchronous detector, the input shaper of the control signal of the RF generator is connected to the first input of the input RF generator, the output of the introduced RF generator is connected to the second input of the controlled current source, with the output of the control unit of the control signal of the microwave generator with union of entrance inputted microwave oscillator, a first output inputted microwave generator is connected a first input of controllable current source, a second output inputted microwave generator is coupled with the entered high-frequency generator.
RU2010100445/28A 2010-01-11 2010-01-11 Quantum frequency standard RU2426226C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010100445/28A RU2426226C1 (en) 2010-01-11 2010-01-11 Quantum frequency standard

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010100445/28A RU2426226C1 (en) 2010-01-11 2010-01-11 Quantum frequency standard

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2426226C1 true RU2426226C1 (en) 2011-08-10

Family

ID=44754784

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010100445/28A RU2426226C1 (en) 2010-01-11 2010-01-11 Quantum frequency standard

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2426226C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2529756C1 (en) * 2013-05-06 2014-09-27 Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" Quantum frequency standard based on coherent population trapping effect
RU202912U1 (en) * 2020-08-31 2021-03-12 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Полет" OPTICAL SIGNAL GENERATOR
CN112835057A (en) * 2020-12-31 2021-05-25 太原理工大学 Vehicle-mounted radar ranging system and method based on intermediate infrared laser
RU2792293C1 (en) * 2022-06-24 2023-03-21 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Quantum frequency standard

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2529756C1 (en) * 2013-05-06 2014-09-27 Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" Quantum frequency standard based on coherent population trapping effect
RU202912U1 (en) * 2020-08-31 2021-03-12 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Полет" OPTICAL SIGNAL GENERATOR
CN112835057A (en) * 2020-12-31 2021-05-25 太原理工大学 Vehicle-mounted radar ranging system and method based on intermediate infrared laser
CN112835057B (en) * 2020-12-31 2024-04-19 太原理工大学 Vehicle-mounted radar ranging system and method based on mid-infrared laser
RU2792293C1 (en) * 2022-06-24 2023-03-21 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Quantum frequency standard

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Appel et al. A versatile digital GHz phase lock for external cavity diode lasers
US9246302B2 (en) Precision photonic oscillator and method for generating an ultra-stable frequency reference using a two-photon rubidium transition
Zhou et al. Injection-locked dual opto-electronic oscillator with ultra-low phase noise and ultra-low spurious level
Wu et al. Direct selection and amplification of individual narrowly spaced optical comb modes via injection locking: design and characterization
CN107015473B (en) A kind of small light clock of alkali metal and its control method based on Modulation Transfer spectrum frequency stabilization
Diddams et al. Design and control of femtosecond lasers for optical clocks and the synthesis of low-noise optical and microwave signals
Bluestone et al. An ultra-low phase-noise 20-GHz PLL utilizing an optoelectronic voltage-controlled oscillator
Serafino et al. Phase and amplitude stability of EHF-band radar carriers generated from an active mode-locked laser
CN107482476A (en) A kind of laser frequency stabilising arrangement
US20110309887A1 (en) Atomic oscillator
US20020006141A1 (en) Method and apparatus for driving mode-locked semiconductor laser
JP2011160251A (en) Atomic oscillator
RU2426226C1 (en) Quantum frequency standard
US10353270B2 (en) System and method for generating an optical frequency standard
RU2408978C1 (en) Quantum frequency standard on gas cell with laser optical pumping
Bustos-Ramirez et al. Synchronization of electro-optically modulated Kerr soliton to a chip-scale mode-locked laser PIC via regenerative harmonic injection locking
US20230333012A1 (en) Optical millimeter-wave oscillator disciplined by rotational spectroscopy
US20190312405A1 (en) Spectral narrowing module, refined spectral line device and method therefor
RU143081U1 (en) QUANTUM STANDARD OF FREQUENCY OF THE OPTICAL AND MICROWAVE RANGE
JP7061620B2 (en) Terahertz laser source and method for emitting terahertz radiation
Heffernan et al. Low phase noise 300 GHz generation from laser diodes injection-locked to a dissipative Kerr soliton microcomb
RU95907U1 (en) QUANTUM FREQUENCY STANDARD
JP3500582B2 (en) Optical frequency reference light source generator
RU2516535C1 (en) Laser optical pumping device for quantum discriminator
US11336377B1 (en) Millimeter-wave frequency synthesizer based on microcomb photomixing, and associated methods

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20120806

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180112